焊接原理與手動電烙鐵焊接技巧解說

焊接作業是現代電子製造工業中相當重要的一個環節,雖然現今的自動焊接工藝(表面貼焊(SMT)波峰焊接(Wave Soldeirng))已經非常的普遍,但是人工手動焊接(Toucu up)仍然無法完全避免,尤其在修補(Repair)作業當中更無法以自動焊接來取代。

不熟練的人工焊接工藝不僅會產生品質上的焊接缺點(冷焊、空焊、假焊、架橋、短路)導致電路動作不正常,更嚴重的甚至有可能在焊接時損壞電子元件,或者在通電後燒毀元件。因此,如何確實的讓所有從事電子製造的人員都了解到焊接的原理與觀念並且實做,才能有效確保並提升電子產品的焊接品質,並降低不良成品的機率,甚至可以延長產品之壽命。







為什麼要焊接?

焊接的主要功能在連接各個各自獨立的電子元件以達到電子訊號互相交流的目的,其次是為了將電子元件固定於電路板上,否則電子元件動不動就掉落下來不就無法作用了。

文章最前面的圖示為電路板的剖面圖,在圖片中我們可以看到焊錫與銅箔焊墊、零件引腳之間的關係。零件引腳靠著焊錫與PCB的銅箔焊墊連接,銅箔焊墊連結到其他的零件引腳,如此構成一個完整的電子電路。

什麼是焊接?

簡單來說,焊接(Soldering)就是在兩種金屬之間加入一種熔點比兩種金屬都要低的金屬焊料,這種焊料還必須可以跟兩種金屬互相作用產生化學反應,最後形成介面金屬共化物(IMC),使其互相結合在一起。

手動人工焊接的作法是利用「電烙鐵(iron)」將兩金屬同時加熱並加入焊錫將其熔化,利用熔融的焊錫滲透到電子元件引腳以及電路板上的銅箔焊墊交接的縫隙並且覆蓋雙方,最後將雙方彼此結合固化在一起,並作為電氣訊號傳導的中繼媒介。

所以對於焊料有下面三個要求:

基於以上要求,現今的電子組裝製造業一般採用「」為基材的合金來當作焊料,所以稱之為「焊錫」,而電子元件的引腳及電路板則幾乎都採用「銅」材料並電鍍鎳、錫、銀之類金屬於表面最為焊接金屬。

採用「合金」是為了可以降低焊料的熔點,還可以因應各種焊接的需求,比如添加少量「銀」是為了可以得到更好的潤濕、加強焊點強度、提高抗疲勞性。錫膏中加入少量的「銅」則可以改善焊點強度,少量的銅也可以降低焊料對烙鐵頭的熔蝕作用。

關於為什麼原本兩個熔點都很高的金屬,以一定比率混在一起之後其共熔點反而會大大降低,這其實是個很有趣的題目,有興趣的朋友可以先參考這一篇文章【錫鉛的二元平衡金相圖】。

焊接原理

焊接的原理說穿了也沒有什麼大學問,就是利用「溫度」來融化焊錫並連接電子元件與電路板,等到溫度冷卻低於熔點後焊錫就會固化並連接在一起。

可是人工焊接無法像SMT回焊爐做全面加熱,因為人無法承受那樣的高溫,於是就設計出了「電烙鐵」單點熱源來加熱於待焊接物體與焊錫,這時候有效率的「熱」傳導就變得非常重要。

手動焊接利用電烙鐵產生的熱能來將零件引腳與銅箔焊墊迅速升溫到焊錫熔點以上的溫度,但又不能高到融化元件與電路板的溫度,然後將焊錫絲靠在已加熱的區域,原本固態的錫絲接觸到超過熔點的溫度後會自然轉變成液態並且均勻的流佈於整個焊點與引腳之間及其週圍,當電烙鐵移開後,缺少了熱源的液態焊錫會自然冷卻,當溫度低於焊錫熔點後即固化完成焊接工作。

從以上的說明中,有幾個注意事項需要特別留意:

何謂良好的焊接效果?

如何正確使用電烙鐵手動焊接電子元件於電路板?


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